JP7128733B2 - 吸光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析対象ガスを吸光度に基づいて分析する吸光分析装置に関するものである。

半導体の製造プロセスでは、半導体基板（シリコンウエハ）表面に対して各種の微細加工や処理が行なわれる。その際、エッチングガス、エピタキシャル成長用の反応ガス、ＣＶＤ（化学気相成長）用の反応ガスなどの多様なプロセスガスが用いられる。それらのプロセスガス中に水分が含まれると、プロセスガスと水分、又は基板表面と水分が反応して不要な副生成物が生じる結果、製造される半導体の歩留まりが著しく低下することが知られている。

このため、特許文献１に示されるように真空容器であるチャンバから各種ガスが排気される排気流路中の一部を光学セルとする吸光分析装置を設けておき、排気ガスに含まれるガスの水分量やチャンバ内から排除されるべき不純物等をモニタリングしている。

ところで、このような吸光分析装置はチャンバから排気されているガスをモニタリングしているだけなので、吸光分析装置では不純物が検出されなかったとしてもチャンバ内には非常に微小量の不純物が残っている可能性がある。

また、上記のような非常に微小な量の不純物が存在するかどうかを吸光度に基づいて判定したい場合、例えば光学セルを構成する窓材に対して水分が結露すると測定誤差が発生し、誤判定が生じる虞がある。

特開２０１０－１９０８２４号公報

本発明は、上述したような問題を鑑みてなされたものであり、チャンバ等の容器内に流入又は発生する分析対象ガスを直接測定することができ、水分の結露による測定誤差を防ぐことができる吸光分析装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る吸光分析装置は、分析対象ガスが流入又は発生する容器の第１開口を塞ぐように取り付けられ、前記容器内に光を射出する光射出モジュールと、前記光射出モジュールから射出され、前記容器内を通過した光を検出する光検出モジュールと、を備え、前記光射出モジュールが、前記容器の外面において前記第１開口の周囲に取り付けられるベースフランジと、前記容器内と接する内側面に対して外側面が所定角度傾斜した窓材と、前記ベースフランジと前記窓材の内側面との間に挟まれるシール部材と、前記ベースフランジに対して固定される固定面、及び、前記窓材の外側面を前記フランジ側へ押圧する傾斜面を具備する押圧体と、を具備したことを特徴とする。

このようなものであれば、容器内を通過した光に基づいて分析対象ガスを分析することができるので、例えば容器内に分析対象ガスが存在していれば、その吸光度を直接測定することが可能となる。

さらに、前記光射出モジュールの射出する光による干渉影響をなくすために前記窓材が所定角度傾斜した外側面を有していても、前記押圧体が傾斜面を具備しているので、前記窓材の内側面を前記シール部材に対して真っ直ぐに押し付けて均一に押し潰すことができる。このため、前記シール部材が不均一に押し潰されて前記窓材が想定しない箇所で前記ベースフランジと接触して冷やされてしまい、前記容器内に存在する水分によって前記窓材の内側面に結露が生じるのを防ぐことができる。

これらのことから、吸光度に基づいて容器内に存在する微小量の分析対象ガスの有無を正確に判定することができるようになる。

前記窓材が前記ベースフランジと接触して熱が逃げてしまい、前記窓材の内側面に結露が生じやすい状態が発生するのを防ぐには、前記押圧体が前記ベースフランジに固定された状態において、前記窓材が前記シール部材を押し潰すとともに前記窓材の内側面が前記ベースフランジからは離間していればよい。

前記窓材が前記ベーフランジに対して接触しないようにするための具体的な構成としては、前記ベースフランジが、前記窓材及び前記押圧体の一部が内部に配置される貫通穴と、前記貫通穴の内周面から内側へ突出し、前記シール部材が支持される支持部と、前記押圧体の固定面が取り付けられる取付面と、を備え、前記押圧体の固定面が前記ベースフランジの取付面に固定された状態において、前記窓材が前記貫通穴の内周面及び前記支持部から離間しているものが挙げられる。

前記窓材を効率よく加熱することができ、前記窓材の内側面に結露がさらに生じにくくするには、前記光射出モジュールが、前記窓材の側面に設けられたシートヒータをさらに具備するものであればよい。

前記窓材の温度が結露の生じない温度に確実に保たれるようにするには、前記光射出モジュールが、前記窓材の温度を測定する温度センサをさらに具備し、前記温度センサで測定される測定温度と、設定温度に基づいて前記シートヒータを制御する温度制御器をさらに備えたものであればよい。

前記光射出モジュールを前記容器の内部と接する部分にはコンタミネーションの原因となる素材を用いないようにしつつ、前記窓材と接触する部材からの熱の散逸を防ぐことができるようにするには、前記ベースフランジが金属製であり、前記押圧体が樹脂製であればよい。

前記押圧体を介して前記窓材の熱が散逸するのを防ぐのに適した具体的な構成としては、前記押圧体がポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）で形成されているものが挙げられる。

単純な光路で前記容器内の分析対象ガスについて分析することができ、前記光射出モジュールと前記光検出モジュールの取り付けを容易にするには、前記光検出モジュールが、前記容器の第１開口と対向させて形成された第２開口を塞ぐように取り付けられたものであればよい。

例えば前記容器内の分析対象ガスの有無を判定するための具体的な構成例としては、前記光検出モジュールの出力に基づいて、分析対象ガスの濃度を算出する濃度算出部をさらに備えたものが挙げられる。

例えば前記容器の第１開口の周囲に形成されているビューポート等の構造を利用して本発明に係る吸光分析装置を構成できるようにするには、分析対象ガスが流入又は発生する容器の第１開口を塞ぐように取り付けられ、前記容器内に光を射出する光射出モジュールと、前記光射出モジュールから射出され、前記容器内を通過した光を検出する光検出モジュールと、を備え、前記光射出モジュールが、前記容器内と接する内側面に対して外側面が所定角度傾斜した窓材と、前記容器の外側面において前記第１開口の周囲と前記窓材の内側面との間に挟まれるシール部材と、前記容器の外側面に固定される固定面、及び、前記窓材の外側面を前記容器側へ押圧する傾斜面を具備する押圧体と、を具備したことを特徴とするものであればよい。

このように本発明に係る吸光分析装置によれば、例えばウェッジを有する窓材であっても樹脂製の前記押圧体の傾斜面によって真っ直ぐに押すことができ、前記シール部材を均一に押し潰すことができる。このため、前記シール部材で十分なシールを実現しながら、前記窓材を前記金属製のベースフランジに対して接触させないようにすることができる。したがって、前記窓材の熱が前記ベースフランジから逃げて前記窓材の内側面に前記容器内の水分により結露が発生するのを防ぐことができる。

本発明の一実施形態における吸光分析装置を示す模式図。 同実施形態における光射出モジュールにおけるフランジ部の構造を示す模式図。 同実施形態における窓材及び温調機構の構成を示す模式図。 同実施形態における押圧体の構造を示す模式的斜視図。 同実施形態における吸光分析装置の機能ブロック図。 本発明の別の実施形態における吸光分析装置のフランジ部の構造を示す模式図。

本発明の一実施形態における吸光分析装置１００について図１乃至図５を参照しながら説明する。

本実施形態の吸光分析装置１００は、半導体の製造プロセスにおいて各種ガスが供給されるチャンバＣ内に分析対象ガスが存在するかどうかをモニタリングするものである。

ここで、本実施形態の分析対象ガスは容器であるチャンバＣ内に流入するプロセスガスやプロセスガス等がチャンバＣ内で反応して発生するガスであり、所定条件下においてチャンバＣ内から完全に除去したいガスである。すなわち、分析対象ガスはチャンバＣの例えば排気機能によりチャンバＣ内から排出されるべきガスであり、チャンバＣ内に分析対象ガスが存在していたとしてもその量は非常に微小なものである。

具体的には、図１に示すように吸光分析装置１００はチャンバＣを構成する隔壁の外面に取り付けられる光射出モジュールＭ１と、光射出モジュールＭ１に対してレーザ光を入力するレーザモジュールＬＭと、光射出モジュールＭ１から射出され、容器内を通過した光を検出する光検出モジュールＭ２と、光射出モジュールＭ１と光検出モジュールＭ２の温度を制御する温度制御器ＴＣと、データのロギング等を行う演算機ＣＯＭと、を備えている。

光射出モジュールＭ１は、例えばチャンバＣの側面に形成された第１開口Ｃ１を塞ぐように取り付けられ、この第１開口Ｃ１を介してチャンバＣ内にレーザ光を導入する。光射出モジュールＭ１は、レーザモジュールＬＭ内のレーザ光源１から射出されたレーザ光が光ファイバを介して入力される接続部２と、チャンバＣの外面に対してシールを形成するように取り付けられるフランジ部３と、を備えている。レーザ光源１から射出されたレーザ光は接続部２、フランジ部３内を通ってチャンバＣ内を進行する。

次に光射出モジュールＭ１のフランジ部３の詳細な構成について図２乃至図４を参照しながら説明する。

フランジ部３は、図２に示すように概略多段円筒状をなすものであり、第１シール部材５、ベースフランジ４、第２シール部材６、窓材７、押圧体８、上部フランジＵＦと、を備えている。ここで、各シール部材はＯリングである。

ベースフランジ４は、中央部に貫通孔が形成された概略円板状の金属板である。ベースフランジ４は、チャンバＣの外側面ＣＷに対して第１開口Ｃ１と貫通穴４１が連通するように取り付けられるものである。ベースフランジ４においてチャンバＣの外面に取り付けられる内側面には、チャンバＣの外面とベースフランジ４の内側面との間に真空シールを形成する第１シール部材５を収容する環状溝４２が形成されている。一方、ベースフランジ４の外側面には押圧体８の外周部分が取り付けられる取付面４４が形成されている。

また、貫通穴４１においてチャンバＣ側には第２シール部材６を支持する環状の支持部４３が貫通穴４１の半径方向内側に突出している。すなわち、貫通穴４１内にはチャンバＣ側から順番に第２シール部材６、窓材７、押圧体８の一部の順番で配置されており、押圧体８で窓材７がベースフランジ４側へと押圧されることにより、窓材７においてチャンバＣ内の空間と接する内側面とベースフランジ４の支持部４３との間で第２シール部材６が押し潰されて真空シールが形成される。

窓材７は、光学測定用に用いられる石英ガラス製のものであり、扁平円筒の一方の端面を斜めに切断した形状をなしている。このため、窓材７はチャンバＣ内の空間に接する内側面７１に対して外側面７２が所定角度傾斜している。したがって、窓材７において内側面７１と外側面７２とは平行ではなく、例えばレーザ光が各面で反射される成分によって干渉が生じるのを防ぐことができる。

窓材７の側面の大部分には図３に示すようにシートヒータ７３が巻かれており、窓材７自体を直接加熱できるように構成されている。すなわち、ベースフランジ４等の別の部材を介さずに窓材７は加熱されている。また、窓材７の側面においてシートヒータ７３が設けられていない領域には窓材７の側面に直接接触するように温度センサ７４として熱電対が設けられている。すなわち、熱電対は窓材７自体の温度を測定できるように構成されている。シートヒータ７３及び熱電対の外側からは窓材７の周囲を包むように樹脂製の断熱帯７５が巻かれている。

押圧体８は、図４に示すよう中央部に開口が形成されるとともにその開口の周辺が突出した概略扁平二段円筒状の部材である。この押圧体８は、ベースフランジ４に対してボルトＢ１によって固定されることで、中央部分が窓材７の外側面７２と接触してベースフランジ４側へと押圧するものである。押圧体８は、窓材７の外側面７２と接触して窓材７の熱が逃げにくくするために樹脂で形成されている。具体的には押圧体８はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）で形成されている。また、押圧体８と窓材７との間にはシール部材は設けられておらず、押圧体８が窓材７に対して直接接触するように構成されている。すなわち、第２シール部材６により真空シールが形成されているので、押圧体８と窓材７との間には別途シールを形成していない。このため、窓材７の内側面７１と外側面７２の双方にシール部材があると押圧体８により窓材７が押圧された際にその窓材７の内側面７１とベースフランジの取付面８１との平行が崩れやすいのに対して、本実施形態では各面の平行を保ったまま第２シール部材６を押し潰すことができる。また、押圧体８は樹脂製であるが真空側ではなく大気側に存在することになるので、チャンバＣ内に押圧体８の樹脂成分が蒸発してコンタミネーションが発生することも無い。

押圧体８の構造について詳述すると、押圧体８は扁平リング状の外周部分と、概略扁平円筒の一端面を斜めに切断した形状を有する中央部分と、を備えている。外周部分にはベースフランジ４の外側面である取付面４４に対して固定される円環状の固定面８１が形成されている。この固定面８１には円周方向に等間隔で6つのボルト挿入孔８３が形成されており、各ボルト挿入孔８３にそれぞれボルト８１が挿入されてベースフランジ４の取付面４４に開口するネジ穴と螺合させられる。押圧体８の中央部分にはベースフランジ４に対して固定された状態でベースフランジ４の取付面４４に対して傾斜する傾斜面８２が形成されている。言い換えると、傾斜面８２はベースフランジ４に固定された状態で窓材７の内側面７１に対して傾斜しており、固定面８１に対する傾斜面８２の傾斜角度は、窓材７の内側面７１に対する外側面７２の傾斜角度とほぼ同じ角度に設定してある。このため、図２に示すように押圧体８の傾斜面８２と窓材７の外側面７２とを合致させることができる。

押圧体８の固定面８１がベースフランジ４の取付面４４に対して固定され、押圧体８の傾斜面８２が窓材７の外側面７２をベースフランジ４側へと押圧している状態において、窓材７の内側面７１は第２シール部材６とのみ接触し、ベースフランジ４の支持部４３に対して離間するように設定されている。すなわち、押圧体８の固定面８１を基準として押圧体８の中央部分の突出量は第２シール部材６が押し潰されて真空シールを形成するとともに窓材７の内側面７１とベースフランジ４の支持部４３との間の隙間を形成するように設定されている。

上部フランジＵＦは、接続部２が取り付けられる部分であり、押圧体８とは接触せずにベースフランジ４にのみ接触するようにボルトＢ２によって固定される。すなわち、窓材７の熱が押圧体８を介して上部フランジＵＦに散逸することを防ぐように構成されている。

光検出モジュールＭ２は、チャンバＣの第１開口Ｃ１が形成された側面の対面に形成された第２開口Ｃ２を塞ぐように取り付けられる。チャンバＣ内を通過して第２開口Ｃ２を通過したレーザ光は光検出モジュールＭ２内のフォトディテクタＤにより検出され、その強度に応じた信号がレーザモジュールＬＭに出力される。また、光検出モジュールＭ２は前述した光射出モジュールＭ１のフランジ部３と同様のフランジ部３ＡによりチャンバＣの外面に取り付けられている。なお、詳細な説明については重複するので省略する。

レーザモジュールＬＭは、レーザ光源１と、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ等の機構を備えたものであり、メモリに格納されているプログラムが実行されることにより、図５に示すようにレーザ制御部Ｐ１、データ処理部Ｐ２としての機能を発揮する。

レーザ制御部Ｐ１は、分析対象ガスの吸収ピークの波長を射出するようにレーザ光源１に印加する電圧等を制御する。

信号処理部Ｐ２は、フォトディテクタＤからの出力信号を例えばパソコン等の演算機ＣＯＭにおいて例えば濃度算出等に使用しやすい状態に変換し出力するものである。

演算器ＣＯＭでは、信号処理部Ｐ２からの出力されるデータをロギングするとともに、例えば濃度算出部Ｐ３としての機能を発揮する。濃度算出部Ｐ３は、信号処理部Ｐ２の出力から吸光度を算出し、その吸光度に基づいてチャンバＣ内の分析対象ガスの濃度を算出する。

温度制御器ＴＣは、光射出モジュールＭ１の窓材８及び光検出モジュールＭ２の窓材の温度が一定に保たれるように各シートヒータ７３に印加する電圧を制御して温度を制御するものである。温度制御器ＴＣ内において温度制御プログラムが実行されて温度制御部Ｐ４としての機能が実現される。この温度制御部Ｐ４は、温度センサ７４で測定される測定温度と、予め設定されている設定温度との偏差が小さくなるようにシートヒータ７３に印加する電圧を制御する。なお、設定温度は、例えばチャンバＣ内の圧力における水の沸点よりも高い温度に設定されている。

このように構成された本実施形態の吸光分析装置１００によれば、窓材７を押圧する押圧体８がウェッジの形成された窓材７に合わせた傾斜面８２を有しているので、第２シール部材６をベースフランジ４の支持部４３に対して真っ直ぐに押すことができる。このため、第２シール部材６を均一に押し潰すことができ、例えば平坦面でウェッジの形成された窓材７を押圧した場合のように窓材７が想定外の動きをしてベースフランジ４に一部が接触するといったことを防ぐことができる。

したがって、図２に示すように窓材７については金属製のベースフランジ４には接触せずに、第２シール部材６と樹脂製の押圧体８のみと接触させることができるので、窓材７の熱が他の部材に伝導しにくくすることができる。

このように窓材７から熱は逃げにくく構成されている上に、シートヒータ７３によって窓材７が直接加熱されているので、水分が結露しない温度に保ち続ける事が可能となる。

これらのことから、チャンバＣ内に水分が存在しているとしても、窓材７の内側面７１に結露が生じるのを防ぐことができ、光射出モジュールＭ１から射出されるレーザ光に影響を与えたり、光検出モジュールＭ２で光の強度に誤差を与えたりするのを防ぐことができる。

したがって、分析対象ガスが非常に微小量であっても正確に濃度を算出することができる。

また、チャンバＣ内を通過したレーザ光の吸光度に基づいて濃度が算出されるので、実際に分析対象ガスの濃度が知りたい場所を測定点にすることができ、測定時の時間遅れや誤差も可及的に小さくできる。加えて、簡素なシングルパスで構成されているので、チャンバＣに対して光射出モジュールＭ１と光検出モジュールＭ２を取り付ける際の制約も小さい。

その他の実施形態について説明する。

本発明に係る吸光分析装置のフランジ部３の構成は前記実施形態に限られるものではない。例えば図６に示すようにフランジ部３が前記実施形態のベースフランジ４を備えておらず、容器であるチャンバＣの外側面ＣＷに形成されている構造物を利用して取り付けられるものであってもよい。すなわち、窓材７がチャンバＣの第１開口部Ｃ１内に設けられ、第２シール部材６がチャンバＣの外側面ＣＷと窓材７の内側面７１との間に設けられるとともに、押圧体８の固定面８１もチャンバＣの外側面ＣＷへ固定され、傾斜面８２が窓材７をチャンバＣ側へと押圧するように構成してもよい。

前記実施形態では、分析対象ガスの濃度を算出していたが、チャンバ内に分析対象ガスが存在するかどうかを検出するように吸光分析装置を構成してもよい。

光射出モジュールと光検出モジュールは対向するように配置されるものに限られず、容器の壁面に対して同じ側に配置してもよい。例えば容器内にミラーを配置しておき、光射出モジュールから射出されて、ミラーで反射された光を光検出モジュールで検出するようにしてもよい。

演算器で行っていた処理については、レーザモジュール内の演算機能を用いて実現してもよい。また、温度制御器、レーザモジュール、演算器については１つのコンピュータでその機能が実現されるようにしてもよい。

押圧体の傾斜面と、窓材の外側面は完全に合致していなくてもよい。例えば、窓材によりシール部材が押し潰された際に押圧体がベースフランジに対して接触しない範囲で多少のずれが存在していても構わない。

容器の一例としてはチャンバを挙げたがその他の内部に空間を有する容器に対して本発明に係る吸光分析装置を用いてもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や各実施形態値の一部同士の組み合わせを行っても構わない。

１００・・・吸光分析装置
４ ・・・ベースフランジ
６ ・・・第２シール部材
７ ・・・窓材
７１ ・・・内側面
７２ ・・・外側面
８ ・・・押圧体
８１ ・・・固定面
８２ ・・・傾斜面

Claims (10)

1. 分析対象ガスが流入又は発生する容器の第１開口を塞ぐように取り付けられ、前記容器内に光を射出する光射出モジュールと、
   前記光射出モジュールから射出され、前記容器内を通過した光を検出する光検出モジュールと、を備え、
   前記光射出モジュールが、
   前記容器の外面において前記第１開口の周囲に取り付けられるベースフランジと、
   前記容器内と接する内側面に対して外側面が所定角度傾斜した窓材と、
   前記ベースフランジと前記窓材の内側面との間に挟まれるシール部材と、
   前記ベースフランジに対して固定される固定面、及び、前記窓材の外側面を前記ベースフランジ側へ押圧する傾斜面を具備する押圧体と、を具備したことを特徴とする吸光分析装置。
2. 前記押圧体の固定面が前記ベースフランジに固定された状態において、前記窓材が前記シール部材を押し潰すとともに前記窓材の内側面が前記ベースフランジからは離間している請求項１記載の吸光分析装置。
3. 前記ベースフランジが、
   前記窓材及び前記押圧体の一部が内部に配置される貫通穴と、
   前記貫通穴の内周面から内側へ突出し、前記シール部材が支持される支持部と、
   前記押圧体の固定面が取り付けられる取付面と、を備え、
   前記押圧体の固定面が前記ベースフランジの取付面に固定された状態において、前記窓材が前記貫通穴の内周面及び前記支持部から離間している請求項２記載の吸光分析装置。
4. 前記光射出モジュールが、
   前記窓材の側面に設けられたシートヒータをさらに具備する請求項１乃至３いずれかに記載の吸光分析装置。
5. 前記光射出モジュールが、
   前記窓材の温度を測定する温度センサをさらに具備し、
   前記温度センサで測定される測定温度と、設定温度に基づいて前記シートヒータを制御する温度制御器をさらに備えた請求項４記載の吸光分析装置。
6. 前記ベースフランジが金属製であり、
   前記押圧体が樹脂製である請求項１乃至５いずれかに記載の吸光分析装置。
7. 前記押圧体がポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）で形成されている請求項６記載の吸光分析装置。
8. 前記光検出モジュールが、前記容器の第１開口と対向させて形成された第２開口を塞ぐように取り付けられた請求項１乃至７いずれかに記載の吸光分析装置。
9. 前記光検出モジュールの出力に基づいて、分析対象ガスの濃度を算出する濃度算出部をさらに備えた請求項１乃至８いずれかに記載の吸光分析装置。
10. 分析対象ガスが流入又は発生する容器の第１開口を塞ぐように取り付けられ、前記容器内に光を射出する光射出モジュールと、
    前記光射出モジュールから射出され、前記容器内を通過した光を検出する光検出モジュールと、を備え、
    前記光射出モジュールが、
    前記容器内と接する内側面に対して外側面が所定角度傾斜した窓材と、
    前記容器の外側面において前記第１開口の周囲と前記窓材の内側面との間に挟まれるシール部材と、
    前記容器の外側面に固定される固定面、及び、前記窓材の外側面を前記容器側へ押圧する傾斜面を具備する押圧体と、を具備したことを特徴とする吸光分析装置。

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